國家電投集團(tuán)內(nèi)蒙古白音華煤電有限公司坑口發(fā)電分公司 趙晉宇 李曉宇 李連杰 郭 健

設(shè)備檢修維護(hù)安全管理工作是保障發(fā)電設(shè)備安全生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)設(shè)施工作，也是保證發(fā)電設(shè)備長期可靠運(yùn)行的重要保障。因此，科學(xué)的檢修管理是促進(jìn)現(xiàn)代火電設(shè)備企業(yè)安全生產(chǎn)的重要管理方式，也是火電企業(yè)不斷提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)重要途徑。我國在鍋爐設(shè)備故障預(yù)警方法的研究中，有學(xué)者提出了利用粒子群算法對(duì)經(jīng)典小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化的鍋爐故障識(shí)別方法。該方法雖然在輕微泄漏模式和嚴(yán)重泄漏模式下對(duì)鍋爐故障進(jìn)行了很好地模擬，但算法收斂速度較慢，有一定的誤差。

1 火電廠設(shè)備故障告警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

火電廠報(bào)警設(shè)備消防報(bào)警通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)特點(diǎn)之一是警報(bào)信息量大，需要較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集通信處理能力。對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口和管理系統(tǒng)信息種類很多，即與作業(yè)機(jī)組內(nèi)的dcs安全控制管理系統(tǒng)、灰網(wǎng)、水網(wǎng)、煤網(wǎng)等各種輔助作業(yè)車輛安全監(jiān)控管理系統(tǒng)信息有關(guān)的接口。以太網(wǎng)（ethernet）因其無線組網(wǎng)的極高靈活性和使用便利性而逐漸成為現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的一種主流[1]。SIS也可以視為采用以太網(wǎng)絡(luò)上的骨干寬度為1000Mb/s，骨干長度為100Mbfs的以太網(wǎng)。以太網(wǎng)可以采用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一般分為星型、環(huán)型、總線型三種。總線型主要用于早期的10Mb/s網(wǎng)絡(luò)，環(huán)型主要用于FDDI網(wǎng)絡(luò)。目前，大多數(shù)高速網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星類型結(jié)構(gòu)。對(duì)于一個(gè)具有工業(yè)專用設(shè)計(jì)內(nèi)核的工業(yè)實(shí)時(shí)響應(yīng)數(shù)據(jù)庫，由于系統(tǒng)是為面向工業(yè)設(shè)計(jì)過程應(yīng)用開發(fā)的專業(yè)產(chǎn)品，系統(tǒng)在實(shí)時(shí)響應(yīng)速度、可靠性、容量以及對(duì)面向應(yīng)用過程工業(yè)應(yīng)用的技術(shù)支持等各個(gè)方面也都具有很大競爭優(yōu)勢[2]。系統(tǒng)訪問結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫一般采用C/S（客戶端/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，未來的數(shù)據(jù)庫訪問方式必然會(huì)發(fā)展到B/S的三層結(jié)構(gòu)（Web瀏覽器、Web服務(wù)器/實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫）。操作系統(tǒng)通常是實(shí)時(shí)的，歷史數(shù)據(jù)庫一般基于dowindowsntnt平臺(tái)或基于unixnt平臺(tái)。從平臺(tái)運(yùn)維系統(tǒng)管理的一個(gè)角度可以考慮，該平臺(tái)操作系統(tǒng)與目前全廠其他平臺(tái)服務(wù)器運(yùn)行操作系統(tǒng)的基本一致性。客戶端可以作為備用SIS控制系統(tǒng)的一個(gè)終端控制設(shè)備，放置在一個(gè)備用生產(chǎn)部門，主要功能是備用生產(chǎn)過程管理控制部門和備用單元過程控制實(shí)驗(yàn)室?？蛻舳松逃糜?jì)算機(jī)系統(tǒng)可以同時(shí)使用多種商用的wpc，主要功能用于自動(dòng)訪問同時(shí)連接商用數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫的商用Web數(shù)據(jù)服務(wù)器，以監(jiān)控屏幕、趨勢圖等多種形式實(shí)時(shí)顯示工廠鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和其他全廠熱力輔助發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行工作狀態(tài)。

2 火電廠設(shè)備故障告警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于人工智能算法計(jì)算設(shè)備熱效率數(shù)學(xué)模型

鍋爐效率的計(jì)算是機(jī)組性能和鍋爐側(cè)能量損失偏差分析的基礎(chǔ)。鍋爐熱效率的理論模型比較成熟，即基于鍋爐損失計(jì)算，包括排煙熱損失、機(jī)械不完全燃燒熱損失、化學(xué)不完全燃燒熱損失、鍋爐熱損失和爐渣物理熱損失。從回?zé)嵯到y(tǒng)計(jì)算目的出發(fā)，將兩大類型回?zé)峒訜崞鳎M(jìn)行能質(zhì)平衡計(jì)算，如公式1所示：

公式1中：ai、ji分別表示回?zé)峒訜嵩O(shè)備的抽汽份額；afi、jfi分別表示焓值以及輔助汽量。由上公式計(jì)算抽汽量，可得公式2：

公式2中：γi表示出口主流水量基準(zhǔn)；βi表示出口水量比值；αli表示被引入的加熱器效率。以整臺(tái)運(yùn)行機(jī)組作為研究對(duì)象?；痣姀S機(jī)組某一經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)（如機(jī)組煤耗、發(fā)電效率等）可以下式表示：

公式3中：ci，c2，…，cn表示運(yùn)行參數(shù)。因?yàn)橐话阒恢琅潘没旌宵c(diǎn)前主流水的焓值，但是混合點(diǎn)后主流水的焓值未知。為了計(jì)算它，我們可以先假設(shè)混合點(diǎn)之后的主流水焓[3]。水的焓值（例如，等于混合點(diǎn)前主流水的焓值），得到抽汽量和排水量，再對(duì)混合點(diǎn)后主流水的焓值進(jìn)行修正。經(jīng)過多次迭代修正，達(dá)到一定精度后，即完成集體蓄熱式加熱器的計(jì)算，在上述模型庫完成后，只要所需的參數(shù)已知的情況下，即可完成火電廠整臺(tái)機(jī)組的性能計(jì)算。

2.2 設(shè)置設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測模塊

火力發(fā)電廠機(jī)械設(shè)備企業(yè)智能安全診斷系統(tǒng)就是圍繞火力發(fā)電機(jī)組企業(yè)的安全管理發(fā)展目標(biāo)，以經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行可靠性要求為技術(shù)導(dǎo)向，以能夠?qū)崿F(xiàn)各種多維度的機(jī)組設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測管理功能為技術(shù)驅(qū)動(dòng)，在我國電廠物業(yè)管理發(fā)展過程中，在電廠管理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定基礎(chǔ)上還可建立機(jī)組設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測管理模塊。該模塊下有健康狀態(tài)列表、報(bào)警參數(shù)列表、數(shù)據(jù)趨勢分析三個(gè)子功能，幫助用戶提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，事后進(jìn)行故障分析。首先在健康狀態(tài)列表中，用戶可以看到型號(hào)、設(shè)備、設(shè)備組或系統(tǒng)和單元的實(shí)時(shí)狀態(tài)；其次在報(bào)警參數(shù)列表中，用戶可以看到實(shí)時(shí)報(bào)警參數(shù)和歷史報(bào)警參數(shù)；最后在數(shù)據(jù)趨勢分析中，用戶可以看到參數(shù)的變化趨勢和偏離正常值的程度[4]。火力發(fā)電廠設(shè)備智能診斷系統(tǒng)具有設(shè)備故障提示和引導(dǎo)功能，可以針對(duì)電子設(shè)備的一些重要典型技術(shù)缺陷或重要故障預(yù)先重新定義保障規(guī)則。一旦不能滿足這些操作規(guī)則，就可能意味著相對(duì)明顯的硬件缺陷或系統(tǒng)故障，而不是簡單地自動(dòng)報(bào)警。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)系統(tǒng)缺陷或關(guān)鍵故障時(shí)，系統(tǒng)人員可自動(dòng)識(shí)別列舉當(dāng)前設(shè)備內(nèi)部可能正在出現(xiàn)的關(guān)鍵故障和提供操作人員維護(hù)技術(shù)建議，同時(shí)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息提示，為設(shè)備操作維護(hù)人員使用提供技術(shù)參考?；痣姀S設(shè)備智能診斷系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測報(bào)告模塊包括機(jī)組監(jiān)測報(bào)告和設(shè)備監(jiān)測報(bào)告。船員監(jiān)控報(bào)告針對(duì)船員，顯示所有監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)信息，具有船員管理的監(jiān)控系統(tǒng)或設(shè)備的概覽功能，主要面向管理人員。在機(jī)組監(jiān)控報(bào)告中，除了可以看到巡檢人員監(jiān)督下的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)外，還可以看到巡檢人員對(duì)系統(tǒng)的使用情況以及對(duì)問題的處理情況；設(shè)備監(jiān)控報(bào)告以設(shè)備為基礎(chǔ)，顯示在線數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)的報(bào)警狀態(tài)，主要面向巡檢人員和操作人員。設(shè)備監(jiān)測報(bào)告給出了每個(gè)監(jiān)測參數(shù)的詳細(xì)報(bào)警信息，包括報(bào)警開始、結(jié)束時(shí)間和持續(xù)時(shí)間。發(fā)電機(jī)的主要工作故障有電機(jī)油膜振動(dòng)振蕩。主要故障原因之一是渦輪發(fā)電機(jī)每個(gè)轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速過低，三軸箱和楔形齒輪襯套傳動(dòng)穩(wěn)定性差。當(dāng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載溫度降低時(shí)，不穩(wěn)定的加速度變低。定子管的線圈兩端絕緣不良。主要原因是磨損、老化、污染和介質(zhì)腐蝕，使導(dǎo)體絕緣功能失效，引起絕緣局部匝間放電和溫升，絕緣材料層因冷熱結(jié)合能力不足、冷卻水層因泄漏、疲勞層因磨損而發(fā)生損壞，導(dǎo)致絕緣線材放電移位和絕緣匝間放電短路。

2.3 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性甄別模塊

數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性甄別模塊需要具有完善的報(bào)警機(jī)制，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)測點(diǎn)告警信息的統(tǒng)計(jì)分析和管理。數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確性高的篩選分析方法基于目前經(jīng)典的各種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)測試和數(shù)據(jù)處理分析方法。同時(shí)還引入熱水器生產(chǎn)的測量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來幫助判斷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的測量準(zhǔn)確性。使判斷分析結(jié)果可靠。數(shù)據(jù)測量精度評(píng)估篩選數(shù)據(jù)判斷異常數(shù)據(jù)測量測試點(diǎn)，將不會(huì)再參與數(shù)據(jù)參數(shù)精度評(píng)估測試過程。數(shù)據(jù)精度篩選的統(tǒng)計(jì)信息可以調(diào)動(dòng)火電廠對(duì)自身測點(diǎn)維護(hù)的積極性，同時(shí)幫助電廠進(jìn)行熱計(jì)量的相關(guān)檢查。變壓器主要短路故障有：繞組元件斷線，短路或部分熔化。主要事故原因可能是不銹鋼鐵芯或其他不銹鋼螺絲的外殼絕緣層被損壞。

故障鑒別處理：有的是金屬片間因使用鑄鐵片發(fā)生短路，片間元件絕緣嚴(yán)重發(fā)生損壞，接地保護(hù)方法不正確形成了大電流輸出回路。分子連接器與開關(guān)接觸不良，接觸面容易熔化的主要造成原因之一，是主體結(jié)構(gòu)件的裝配過程存在諸多缺陷。鍋爐的主要過熱故障及原因診斷解決方法，首先主要鍋爐故障原因有，第一：鍋爐過熱器的空氣泄漏點(diǎn)和爆破損壞區(qū)域主要集中在家用高溫鍋爐過熱器下部和彎頭的兩個(gè)火側(cè)。主要停工原因之一是爐高太低，使地方過熱[5]。同時(shí)還存在焊接選材材料余量明顯不足和所用焊接材料質(zhì)量過低問題。第二：如果省煤器出現(xiàn)漏水，其主要漏水原因可能是排水粉煤灰涂層磨損從而造成排水管壁增厚變薄，特別是壁管、爐壁和彎頭。第三：高溫水冷壁表層滲漏，主要形成原因可能是水冷局部高溫過熱和表層腐蝕。局部高溫過熱腐蝕是由于燃燒管道內(nèi)部的水循環(huán)系統(tǒng)破壞和積水結(jié)垢，燃燒管道區(qū)域的火焰快速偏轉(zhuǎn)或管道煙溫過快升高會(huì)直接導(dǎo)致管道水冷壁在局部高溫下發(fā)生腐蝕。第四：除塵器出現(xiàn)故障，主要事故原因可能是由于煙氣露點(diǎn)流速過快，灰粒粒徑大，粉塵露點(diǎn)濃度大，排煙露點(diǎn)溫度遠(yuǎn)低于煙氣露點(diǎn)排煙溫度。診斷技術(shù)方法在傳統(tǒng)鍋爐過熱故障技術(shù)診斷中，物理故障診斷技術(shù)方法主要包括：紅外射線測溫診斷技術(shù)，具體到其應(yīng)用領(lǐng)域范圍主要包括了對(duì)鍋爐燃燒火焰和煙氣燃燒產(chǎn)生狀態(tài)的準(zhǔn)確識(shí)別與分析控制、熱力設(shè)備疲勞燃燒損傷、熱力設(shè)備和機(jī)械溫度特性變化規(guī)律、熱力設(shè)備系統(tǒng)鍋爐漏熱保溫、鍋爐熱染物污染溫度控制等技術(shù)診斷與故障評(píng)價(jià)；超聲波故障診斷評(píng)價(jià)方法，可以應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測整個(gè)爐膛及其上部過熱區(qū)域的鍋爐煙氣燃燒溫度，確定何時(shí)可以進(jìn)行鍋爐吹灰排煙操作，保持整個(gè)鍋爐良好的運(yùn)行燃?xì)庑阅?，監(jiān)測到在爐膛內(nèi)每次冒煙燃燒的鍋爐煙道燃?xì)鉁囟群驮谌紵鬟^熱區(qū)域附近的鍋爐燃?xì)鉁囟龋兄跍?zhǔn)確識(shí)別和及時(shí)消除因鍋爐燃燒器過熱故障原因引起的異常鍋爐燃燒產(chǎn)生情況，同時(shí)它還可以通過優(yōu)化對(duì)鍋爐污染物燃燒產(chǎn)生性能有重要不良影響的鍋爐溫度控制，實(shí)現(xiàn)清潔煤的燃燒。

2.4 設(shè)定系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是對(duì)火電廠設(shè)備運(yùn)行全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析和預(yù)警的綜合監(jiān)測平臺(tái)。系統(tǒng)首先使用ERP設(shè)備管理系統(tǒng)，對(duì)火電廠設(shè)備一些基本信息進(jìn)行存儲(chǔ)，其中包括火電廠設(shè)備的名稱、類型、使用時(shí)間、規(guī)格、型號(hào)等信息，并針對(duì)每一種設(shè)備建立相應(yīng)的設(shè)備檔案，供用戶查閱，配置火電廠設(shè)備相關(guān)的控制參數(shù)信息；然后，利用火電廠設(shè)備故障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)已經(jīng)投入使用的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行采集，在此基礎(chǔ)上對(duì)采集到的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)中的無效數(shù)據(jù)和重復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、分類處理；最后，以采集到的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)作為訓(xùn)練樣本，利用相關(guān)算法或者模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，識(shí)別到火電廠設(shè)備故障特征目標(biāo)，根據(jù)識(shí)別結(jié)果判斷火電廠設(shè)備是否存在故障，以及顯示分析結(jié)果，如果分析到火電廠設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)為故障狀態(tài)，則觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警裝置發(fā)出警報(bào)。此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要具備以上三個(gè)功能，包括信號(hào)采集、故障特征分析、故障告警，以此才能滿足火電廠設(shè)備故障告警需求，具體流程如下。

步驟一：接收到事故信號(hào)或告警信息；

步驟二：讀取電流信息保護(hù)信息告警信息等；

步驟三：信息預(yù)處理服務(wù)；

步驟四：專家系統(tǒng)推理判斷服務(wù)；

步驟五：告警與建議展示。

此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以上幾個(gè)功能模塊，但是由于火電廠設(shè)備種類比較多，且每種設(shè)備還分為不同的型號(hào)，因此采集的數(shù)據(jù)也不太一致，所以此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)還需要根據(jù)火電廠設(shè)備現(xiàn)場實(shí)際情況配置設(shè)備的特性參數(shù)，以此保證火電廠設(shè)備故障告警精度。

3 應(yīng)用與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

獲取B火電廠1臺(tái)350MW鍋爐過熱器，對(duì)該鍋爐最近一次發(fā)生的故障記錄點(diǎn)前后800組監(jiān)測數(shù)據(jù)利用文中系統(tǒng)展開研究。為了方便挖掘數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，利用最大隸屬度原則將數(shù)據(jù)標(biāo)記為最大隸屬度所屬的模糊等級(jí)，最終得到的待挖掘數(shù)據(jù)庫如表1所示。

表1 待挖掘數(shù)據(jù)庫

采用最小模糊支持度，對(duì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，火電廠設(shè)備在運(yùn)行過程中各個(gè)參數(shù)屬性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系都有與其相對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)規(guī)則，以此反映出該火電廠設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 結(jié)果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證文中基于人工智能的火電廠設(shè)備故障告警系統(tǒng)的優(yōu)勢，將實(shí)驗(yàn)中采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)作為樣本，其中有一部分?jǐn)?shù)據(jù)為火電廠設(shè)備初始故障數(shù)據(jù)。為了更好地衡量文中系統(tǒng)優(yōu)勢，提取一種基于FARM的預(yù)警系統(tǒng)，測試兩種告警系統(tǒng)在不同數(shù)據(jù)量下識(shí)別所用時(shí)間，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖1所示。

圖1 兩種告警系統(tǒng)識(shí)別數(shù)據(jù)時(shí)間

圖1測試結(jié)果中，為了方便表達(dá)將基于FARM的預(yù)警系統(tǒng)，表示為傳統(tǒng)系統(tǒng)。觀察測試結(jié)果可以看出，在系統(tǒng)分析的數(shù)據(jù)量不斷增加時(shí)，兩種系統(tǒng)所消耗的執(zhí)行時(shí)間都處于上升趨勢。文中基于人工智能的告警系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)量3000時(shí)，運(yùn)行時(shí)間在50s，而傳統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量3000時(shí)，運(yùn)行時(shí)間則達(dá)到80s，因此，得出文中系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所耗費(fèi)的時(shí)間明顯少于傳統(tǒng)的FARM系統(tǒng)。

4 結(jié)語

火電廠設(shè)備故障告警系統(tǒng)作為火電廠生產(chǎn)運(yùn)營中的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)火電廠保持正常生產(chǎn)效率和質(zhì)量具有重要作用，此次在傳統(tǒng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上應(yīng)用了人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)硬件和軟件創(chuàng)新和優(yōu)化，經(jīng)過應(yīng)用分析此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)在設(shè)備故障告警速率方面具有較大的提升，證明了人工智能技術(shù)在火電廠設(shè)備故障告警中具有良好的應(yīng)用價(jià)值。此次研究對(duì)解決火電廠設(shè)備故障問題具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。